CN115096388A - 一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计量技术领域，具体涉及一种基于蓝牙及NB‑IoT的智能超声波水表，包括提供直流供电的供电电路，用于执行水表控制指令并通过蓝牙天线与外接蓝牙设备建立蓝牙通信的主控芯片，从主控芯片接收阀门电机控制信号且反馈阀门到位信号的阀门控制模块，通过产生超声波脉冲和检测超声波脉冲在流过水表内液体的传播速度检测流水水表内液体流速的超声波计量模块，超声波计量模块将液体流速反馈给主控芯片，与主控芯片连接用于建立无线通信的NB‑IoT通信模块，主控芯片通过NB‑IoT通信模块上报水表读数和接收指令。本发明的有益技术效果为：使用蓝牙通信的芯片作为主控芯片，不用额外增加蓝牙通信模块，降低了智能水表的成本和功耗。

Description

一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表
技术领域
本发明涉及计量技术领域，具体涉及一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表。
背景技术
蓝牙技术已经普遍应用于水表行业及水表产品上。但一般来说，需要使用蓝牙模块来实现蓝牙通信功能的，需要额为的主控芯片来控制蓝牙模块进行数据收发。增加了水表需要集成安装的芯片数量，增加了水表的成本和功耗。因此有必要研究改进智能水表控制和采集技术，以进一步降低智能水表的成本并提高智能水表的运行寿命。
中国专利CN106706060A，公开日2017年5月24日，公开了一种智能水表系统及其使用方法。智能水表系统包括水表本体、控制器、业主智能终端及物业智能终端。其中，水表本体安装于进水管上，控制器设置于所述水表本体上，所述控制器用于控制水表本体的开关及采集水表本体的基础数据，所述业主智能终端用于与物业智能终端通信实现数据交互、以及与所述控制器通信实现数据交互，所述物业智能终端用于与所述控制器通信实现数据交互。基于网络技术及现代通信技术，实现了在线购买用水指标、充值、实时监控及查询的功能。但其技术方案导致水表使用大量的元器件，增大了水表的功耗。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，通过蓝牙通信模块集成控制功能，减少了智能水表使用的控制器数量，不仅降低了成本还同时降低了功耗。
解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，包括基表，包括提供直流供电的供电电路，用于执行水表控制指令并通过蓝牙天线与外接蓝牙设备建立蓝牙通信的主控芯片，从主控芯片接收阀门电机控制信号且反馈阀门到位信号的阀门控制模块，通过产生超声波脉冲和检测超声波脉冲在流过水表内液体的传播速度检测流水水表内液体流速的超声波计量模块，超声波计量模块将液体流速反馈给主控芯片，主控芯片计算生成流过水表液体的流量并生成水表读数，与主控芯片连接用于建立无线通信的NB-IoT通信模块，主控芯片通过NB-IoT通信模块上报水表读数和接收指令。
作为优选，包括设置在水表上的液晶模块，所述液晶模块与主控芯片连接，用于显示水表读数、蓝牙连接状态、NB-IoT通信状态和剩余电量。
作为优选，包括设置在水表上用于建立现场通信连接的红外通信模块，所述红外通信模块与主控芯片连接。
作为优选，所述红外通信模块包括用于产生红外通信信号的发射电路和接收红外信号的接收电路，所述发射电路包括发光二极管D3和三极管Q6，发光二极管D3阳极经电阻R30与通信信号源连接，用于产生与通信信号相符的红外光，所述三极管Q6经电阻R32与通信开关信号连接，三极管Q6用于连接发光二极管D3阴极和接地，以控制发光二极管D3能否在通信信号驱动下导通。
作为优选，供电电路包括两个连接预设电压电池的电池接口，电池接口的负极均接地，两个电池接口的正极分别以主供电和备用供电的工作方式与供电端VDD连接，供电端VDD处设置有并联的滤波电容C21和C22，供电端VDD为主控芯片供电，供电端VCC_M与作为主供电的电池接口的正极直接连接，供电端VCC_M通过滤波电容C33接地，供电端VCC_M为其余用电元器件供电。
作为优选，两个电池接口的正极分别通过两个压降不同的二极管与供电端VDD连接，实现分别以主供电和备用供电的工作方式与供电端VDD连接。
作为优选，所述阀门控制模块包括阀门控制芯片U5和阀门电机接口J5，阀门控制芯片U5具有与主控芯片连接的用于接收控制信号的OUT_EN、OUT_A及OUT_B端口，分别接收主控芯片发送的使能信号、正转信号和反转信号，正转信号和反转信号为具有周期性变化规律的信号流，信号流变化的频率将导致阀门电机以不同速率转动，阀门控制芯片U5具有与阀门电机接口J5连接的两路驱动端DRV+和DRV-，分别为阀门电机提供正极电压和负极电压，阀门电机接口J5设置与主控芯片连接的到位信号接口，包括CLOSE接口与OPEN接口，分别向主控芯片发送关闭信号和打开信号。
作为优选，所述的超声波计量模块包括控制芯片U3，控制芯片U3从主控芯片接收控制指令，所述控制指令包括参数设置、计量上报和周期设置，所述参数设置用于设置水表内管道的直径，计量上报指令为立即上报计量结果，周期设置用于设置超声波计量模块主动上报计量结果的周期，两个换能器分别通过换能器接口与控制芯片U3连接，两个换能器相对安装，两个所述换能器分别被用于产生超声波脉冲以及由产生的超声波脉冲经在液体内传播后驱动而产生电脉冲信号，控制芯片U3由超声波脉冲和电脉冲信号的时延及两个换能器间距离获得超声波在液体中的传播速率，与水表内管道的直径相乘得到流速，流速对时间的积分作为计量时长内的流量。
本发明的有益技术效果为：（1）使用蓝牙通信的芯片作为主控芯片，其自带蓝牙通信功能，可以不用额外增加蓝牙通信模块，降低了智能水表的成本和功耗；
（2）蓝牙通信功能可以很方便的连接智能手机而不需要开发额外的抄表设备，在增加蓝牙通信的基础上为适应用户的使用习惯保留了红外通信功能；
（3）采用双电池供电方案，备用电池只在主电池电压较低或没有安装时才使用，并且只保证计量功能，提高了电池的使用效率及使用寿命，增强了超声波水表本省的稳定性及可靠性；
（4）具有阀门控制电路，可以实现超声波水表的阀门控制功能，配合NB-IoT通信功能可以实现超声波水表的远程阀门控制；
（5）NB-IoT通信模块使超声波水表的方便的接入互联网，实现超声波水表的远程抄读及控制功能。
本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明智能超声波水表模块连接示意图。
图2为本发明智能超声波水表供电电路示意图。
图3为本发明智能超声波水表阀门控制芯片电路示意图。
图4为本发明智能超声波水表阀门电机接口电路示意图。
图5为本发明智能超声波水表超声波计量模块电路示意图。
图6为本发明智能超声波水表红外通信模块发送电路示意图。
图7为本发明智能超声波水表红外通信模块接收电路示意图。
图8至12为本发明智能超声波水表NB-IoT通信模块电路示意图。
其中：10、供电电路，20、阀门控制模块，30、超声波计量模块，40、NB-IoT通信模块，50、液晶模块，60、红外通信模块，70、主控芯片。
具体实施方式
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：
一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，请参阅附图1，包括基表，提供直流供电的供电电路10，用于执行水表控制指令并通过蓝牙天线与外接蓝牙设备建立蓝牙通信的主控芯片70，从主控芯片70接收阀门电机控制信号且反馈阀门到位信号的阀门控制模块20，通过产生超声波脉冲和检测超声波脉冲在流过水表内液体的传播速度检测流水水表内液体流速的超声波计量模块30，超声波计量模块30将液体流速反馈给主控芯片70，主控芯片70计算生成流过水表液体的流量并生成水表读数，与主控芯片70连接用于建立无线通信的NB-IoT通信模块40，主控芯片70通过NB-IoT通信模块40上报水表读数和接收指令。设置在水表上的液晶模块50，液晶模块50与主控芯片70连接，用于显示水表读数、蓝牙连接状态、NB-IoT通信状态和剩余电量。
请参阅附图2，供电电路10包括两个连接预设电压电池的电池接口，电池接口的负极均接地，两个电池接口的正极分别以主供电和备用供电的工作方式与供电端VDD连接，供电端VDD处设置有并联的滤波电容C21和C22，供电端VDD为主控芯片70供电，供电端VCC_M与作为主供电的电池接口的正极直接连接，供电端VCC_M通过滤波电容C33接地，供电端VCC_M为其余用电元器件供电。
两个电池接口的正极分别通过两个压降不同的二极管与供电端VDD连接，实现分别以主供电和备用供电的工作方式与供电端VDD连接。该电路中J4与J6为电池接口，二极管D1与二极管D2用来防止2个电池进行相互充电。其中二极管D1选择导通压降在0.6V的硅二极管，二极管D2选择导通压降在0.3V的锗二极管，电容C21、电容C22和电容C33均为滤波电容。VDD用来给主控芯片70供电，VCC_M用来给NB-IoT模块、红外通信模块60和阀门控制模块20供电。使用时，J4接型号为ER14250的锂电池，J6接型号为ER26500的锂电池。当2个电池同时接入时，由于D1与D2的导通压降不同，实际VDD电压由J6接入的电池供给。当J6电池电压低于3.3V或拔掉电池时，VDD电压才由J4接入的电池供给。J4在应用中作为备用电池接口存在。
阀门控制模块20包括阀门控制芯片U5和阀门电机接口J5，请参阅附图3，阀门控制芯片U5具有与主控芯片70连接的用于接收控制信号的OUT_EN、OUT_A及OUT_B端口，分别接收主控芯片70发送的使能信号、正转信号和反转信号，正转信号和反转信号为具有周期性变化规律的信号流，信号流变化的频率将导致阀门电机以不同速率转动，请参阅附图4，阀门控制芯片U5具有与阀门电机接口J5连接的两路驱动端DRV+和DRV-，分别为阀门电机提供正极电压和负极电压，阀门电机接口J5设置与主控芯片70连接的到位信号接口，包括CLOSE接口与OPEN接口，分别向主控芯片70发送关闭信号和打开信号。U5为阀门控制芯片。J5为阀门电机接口，阀门电机接口的1，2脚连接阀门的电机线，3，4，5脚连接到位信号线。OUT_EN，OUT_A，OUT_B为阀门控制芯片U5的控制线，由主控芯片70控制阀门电机的正传及反转。CLOSE与OPEN为阀门的到位信号线，主控芯片70可根据该信号线状态来判断阀门状态。
超声波计量模块30包括控制芯片U3，请参阅附图5，控制芯片U3从主控芯片70接收控制指令，控制指令包括参数设置、计量上报和周期设置，参数设置用于设置水表内管道的直径，计量上报指令为立即上报计量结果，周期设置用于设置超声波计量模块30主动上报计量结果的周期，两个换能器分别通过换能器接口与控制芯片U3连接，两个换能器相对安装，两个换能器分别被用于产生超声波脉冲以及由产生的超声波脉冲经在液体内传播后驱动而产生电脉冲信号，控制芯片U3由超声波脉冲和电脉冲信号的时延及两个换能器间距离获得超声波在液体中的传播速率，与水表内管道的直径相乘得到流速，流速对时间的积分作为计量时长内的流量。换能器接口J1与换能器接口J2用来连接超声波换能器。本实施例中控制芯片U3采用MS1030芯片，主控芯片70通过INTP，SPI_SSN，SPI_SCK，SPI_SI，SPI_SO与RSTN这6个引脚来控制MS1030芯片完成超声波计量功能。
在水表上设置用于建立现场通信连接的红外通信模块60，红外通信模块60与主控芯片70连接。红外通信模块60包括用于产生红外通信信号的发射电路和接收红外信号的接收电路，请参阅附图6和附图7，发射电路包括发光二极管D3和三极管Q6，发光二极管D3阳极经电阻R30与通信信号源连接，用于产生与通信信号相符的红外光，三极管Q6经电阻R32与通信开关信号连接，三极管Q6用于连接发光二极管D3阴极和接地，以控制发光二极管D3能否在通信信号驱动下导通。二极管D3为红外发射管，U9为一体式38KHz红外接收管。IR_PWM由主控芯片70控制产生38Hz的PWM信号。电阻R30为限流电阻。电阻R32与三极管Q6组成开关电路，由IR_TX控制导通与关闭。VDD_IR由主控芯片70控制对U9进行供电，电容C39为滤波电容。IR_TX与IR_RX连接主控芯片70的UART端口，用来发送和接收数据。
请参阅附图8至附图12，为本实施例使用的NB-IoT通信模组及其连接电路。其中U6为NB-IoT通信模组，E2为天线。电容C24、电容C15、电容C36、电容C37、电容C38及电容C35为滤波电容。U7为SIM卡，电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C26、电容C27和电容C28组成SIM卡与NB-IoT模组的通信接口电路。电阻R26、电阻R27与MOS管Q3组成NB-IoT通信模块40的供电控制电路。电阻R33与三极管Q7组成NB-IoT通信模块40的复位电路。电阻R24、电阻R25与MOS管Q4；电阻R28、电阻R29与MOS管Q5分别组成与主控芯片70通信的电平转换电路。主控芯片70通过NB_ON，NB_RST_MCU，NB_TX_MCU，NB_RX_MCU这4个引脚来控制NB-IoT通信模组完成NB通信。
本实施例有益技术效果为：使用蓝牙通信的芯片作为主控芯片70，其自带蓝牙通信功能，可以不用额外增加蓝牙通信模块，降低了智能水表的成本和功耗；蓝牙通信功能可以很方便的连接智能手机而不需要开发额外的抄表设备，在增加蓝牙通信的基础上为适应用户的使用习惯保留了红外通信功能；采用双电池供电方案，备用电池只在主电池电压较低或没有安装时才使用，并且只保证计量功能，提高了电池的使用效率及使用寿命，增强了超声波水表本省的稳定性及可靠性；具有阀门控制电路，可以实现超声波水表的阀门控制功能，配合NB-IoT通信功能可以实现超声波水表的远程阀门控制；NB-IoT通信模块40使超声波水表的方便的接入互联网，实现超声波水表的远程抄读及控制功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，包括基表，其特征在于，
包括提供直流供电的供电电路，用于执行水表控制指令并通过蓝牙天线与外接蓝牙设备建立蓝牙通信的主控芯片，从主控芯片接收阀门电机控制信号且反馈阀门到位信号的阀门控制模块，通过产生超声波脉冲和检测超声波脉冲在流过水表内液体的传播速度检测流水水表内液体流速的超声波计量模块，超声波计量模块将液体流速反馈给主控芯片，主控芯片计算生成流过水表液体的流量并生成水表读数，与主控芯片连接用于建立无线通信的NB-IoT通信模块，主控芯片通过NB-IoT通信模块上报水表读数和接收指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
包括设置在水表上的液晶模块，所述液晶模块与主控芯片连接，用于显示水表读数、蓝牙连接状态、NB-IoT通信状态和剩余电量。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
包括设置在水表上用于建立现场通信连接的红外通信模块，所述红外通信模块与主控芯片连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
所述红外通信模块包括用于产生红外通信信号的发射电路和接收红外信号的接收电路，所述发射电路包括发光二极管D3和三极管Q6，发光二极管D3阳极经电阻R30与通信信号源连接，用于产生与通信信号相符的红外光，所述三极管Q6经电阻R32与通信开关信号连接，三极管Q6用于连接发光二极管D3阴极和接地，以控制发光二极管D3能否在通信信号驱动下导通。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
供电电路包括两个连接预设电压电池的电池接口，电池接口的负极均接地，两个电池接口的正极分别以主供电和备用供电的工作方式与供电端VDD连接，供电端VDD处设置有并联的滤波电容C21和C22，供电端VDD为主控芯片供电，供电端VCC_M与作为主供电的电池接口的正极直接连接，供电端VCC_M通过滤波电容C33接地，供电端VCC_M为其余用电元器件供电。
6.根据权利要求5所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
两个电池接口的正极分别通过两个压降不同的二极管与供电端VDD连接，实现分别以主供电和备用供电的工作方式与供电端VDD连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
所述阀门控制模块包括阀门控制芯片U5和阀门电机接口J5，阀门控制芯片U5具有与主控芯片连接的用于接收控制信号的OUT_EN、OUT_A及OUT_B端口，分别接收主控芯片发送的使能信号、正转信号和反转信号，正转信号和反转信号为具有周期性变化规律的信号流，信号流变化的频率将导致阀门电机以不同速率转动，阀门控制芯片U5具有与阀门电机接口J5连接的两路驱动端DRV+和DRV-，分别为阀门电机提供正极电压和负极电压，阀门电机接口J5设置与主控芯片连接的到位信号接口，包括CLOSE接口与OPEN接口，分别向主控芯片发送关闭信号和打开信号。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝牙及NB-IoT的智能超声波水表，其特征在于，
所述的超声波计量模块包括控制芯片U3，控制芯片U3从主控芯片接收控制指令，所述控制指令包括参数设置、计量上报和周期设置，所述参数设置用于设置水表内管道的直径，计量上报指令为立即上报计量结果，周期设置用于设置超声波计量模块主动上报计量结果的周期，两个换能器分别通过换能器接口与控制芯片U3连接，两个换能器相对安装，两个所述换能器分别被用于产生超声波脉冲以及由产生的超声波脉冲经在液体内传播后驱动而产生电脉冲信号，控制芯片U3由超声波脉冲和电脉冲信号的时延及两个换能器间距离获得超声波在液体中的传播速率，与水表内管道的直径相乘得到流速，流速对时间的积分作为计量时长内的流量。
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CN116337169A (zh) * 2023-03-14 2023-06-27 宁夏隆基宁光仪表股份有限公司 一种IP68防水NB-IoT智能水表

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